JP2009535628A - Piezoelectric measuring element with lateral effect and sensor including said measuring element - Google Patents
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Abstract
本発明は、二導体技術を使用可能な横効果の少なくとも1本の棒(2)を含む、圧電測定素子(1)に関係する。本発明は、測定素子(1)の金属化面(5)、電極(6)及び線路(15)が、ハウジング(13)に対するその電気容量が同一であるように、横効果の1本以上の圧電棒(2)により実施される考えを基にしている。上記は、例えば、極(22)の完全に対称的な設計により、または環境に対する両極(22)の容量差に対応するコンデンサを一方の極(22)からハウジング(13)へ設けることにより、達成される。 The invention relates to a piezoelectric measuring element (1) comprising at least one bar (2) with a lateral effect that can use two-conductor technology. The present invention provides one or more lateral effects such that the metallized surface (5), electrode (6) and line (15) of the measuring element (1) have the same capacitance with respect to the housing (13). Based on the idea implemented by the piezoelectric rod (2). This is achieved, for example, by a completely symmetrical design of the pole (22) or by providing a capacitor from one pole (22) to the housing (13) corresponding to the capacitance difference of the poles (22) with respect to the environment. Is done.
Description
本発明は請求項1の特徴部分による圧電測定素子と共に、前記測定素子を含むセンサとに関係する。
The invention relates to a piezoelectric measuring element according to the features of
圧電測定素子は、複数の応用例、例えば圧力、力、伸びまたは加速度センサで使用されている。測定中、圧電材料から構成された本体が機械的歪を受けて、電荷が本体の特定の表面に発生される。この電荷は収集されて電極によりケーブル接続に導かれる。最終的にはケーブルが電荷を前置増幅器であるかもしれない増幅器に伝送する。 Piezoelectric measurement elements are used in several applications, such as pressure, force, elongation or acceleration sensors. During the measurement, the body made of piezoelectric material is subjected to mechanical strain, and charges are generated on specific surfaces of the body. This charge is collected and guided to the cable connection by the electrode. Eventually, the cable transfers the charge to an amplifier that may be a preamplifier.
基本的に、電荷の増幅器への伝送には2つの異なる可能性、すなわち、同軸ケーブルの使用または2本の導体ケーブルの使用がある。同軸ケーブルを使用した場合、測定データは第1電極から内部導体に伝送され、一方別の電極は主要電位上にあって、外部干渉電場から測定線路を保護するシールドに接続可能である。さらに、3軸ケーブルにより第2シールドを設けることも可能である。対照的に、2本の導体ケーブルを使用した場合、2個の電極が、全体を単一でまたは2重にそれ自体をシールド可能なケーブルの2本の導線により接続される。増幅器では2本のリード線間の電荷差が評価される。リード線は同一の干渉電場に露出されるため、電荷差の変更は干渉電場からは発生しない。 Basically, there are two different possibilities for the transfer of charge to the amplifier: the use of coaxial cables or the use of two conductor cables. When a coaxial cable is used, measurement data is transmitted from the first electrode to the inner conductor, while the other electrode is on the main potential and can be connected to a shield that protects the measurement line from external interference fields. Further, it is possible to provide the second shield with a triaxial cable. In contrast, when two conductor cables are used, the two electrodes are connected by two conductors of the cable that can shield themselves in whole or double. In the amplifier, the charge difference between the two leads is evaluated. Since the lead wires are exposed to the same interference electric field, the change in charge difference does not occur from the interference electric field.
二導体技術を使用した応用例は、例えば縦効果の1つ以上の圧電板を有する測定素子である。縦効果とは、力が加わる表面で電荷が発生することを意味する。これらの表面が最もひんぱんに金属化されて電荷を収集する。同じ極性の金属化面が各々1つの電極に接続され、この電極が2本の導体の内の一方に与えられる。金属化面は負荷が与えられるため、隣接表面の良好な接触が常に保証される。 An example application using two-conductor technology is a measuring element having one or more piezoelectric plates with a longitudinal effect, for example. The longitudinal effect means that electric charges are generated on the surface to which force is applied. These surfaces are most often metallized to collect charge. Each metallized surface of the same polarity is connected to one electrode, which is applied to one of the two conductors. Since the metallized surface is loaded, good contact between adjacent surfaces is always guaranteed.
同軸技術を使用する応用例もまた、縦効果の1つ以上の圧電板を有する測定素子を含み、その電極は各々内部導体とシールドに接続される。反対に、同軸技術により圧電材料から構成された横効果の棒の使用もまた既知である。横効果とは、負荷の下で電荷が発生する表面が負荷が加えられる表面とは直角に位置していることを意味する。EP1283552号は1個を含むこの型式の応用例を記載し、WO2005/026678号は横効果のいくつかの棒結晶を含む応用例を記載している。これらの場合では、電荷を収集する電極は、力印加面上の金属化面に電気的に接続されて電荷を収集する良好な接点を保証する。 Applications using coaxial technology also include a measuring element having one or more piezoelectric plates with longitudinal effects, each electrode connected to an inner conductor and a shield. On the contrary, the use of side effect bars constructed from piezoelectric material by coaxial technology is also known. The lateral effect means that the surface on which charge is generated under load is located perpendicular to the surface to which load is applied. EP1283552 describes an application of this type including one, and WO2005 / 026678 describes an application including several bar crystals of lateral effects. In these cases, the charge collecting electrode is electrically connected to the metallized surface on the force application surface to ensure a good contact to collect the charge.
縦効果の板に対する横効果の圧電棒の利点は、その感度とコスト性能比にある。板による薄い棒で達成可能な同一の感度を得るためには、多数の板による積層板を使用しなければならず、これは棒より非常に高価であり、さらに相当に高い。棒を含む測定素子の安定度と感度をさらに増加するため、またWO2005/026678号で記述するように、いくつかのまたは薄い棒を使用可能である。この応用例では、電極は圧電棒の2つの力印加面上の金属化面に電気的に接続され、これにより良好な接点が得られる。 The advantage of the lateral effect piezoelectric rod over the longitudinal effect plate lies in its sensitivity and cost performance ratio. In order to obtain the same sensitivity achievable with thin rods of plates, a laminate of multiple plates must be used, which is much more expensive and much higher than the rods. Several or thin bars can be used to further increase the stability and sensitivity of the measuring element including the bars and as described in WO 2005/026678. In this application, the electrodes are electrically connected to the metallized surfaces on the two force-applying surfaces of the piezoelectric rod, which gives a good contact.
いくつかの棒を使用するその他の応用例はまたEP1283552号の図2から既知である。ここでは、3本の棒が3角形に配置され、3角形の内部ではスプリングが第1電極として電荷を受け取り、一方スプリングは同時に結晶の外壁を第2電極である金属壁へ押し付ける。 Another application using several rods is also known from FIG. 2 of EP1283552. Here, three rods are arranged in a triangle, and inside the triangle, the spring receives charge as the first electrode, while the spring simultaneously presses the outer wall of the crystal against the metal wall, which is the second electrode.
同軸技術と比較した二導体技術の利点は接地絶縁である。二導体技術の各測定素子は必然的に接地絶縁され、一方同軸技術を使用した測定素子は、主要電位にある電極をしばしば有する。測定素子の絶縁リングとシールドを使用した精妙な組立によってのみ接地絶縁が得られる。これは、例えば、接地接続での電圧の補償、いわゆる接地ループによる干渉を防止するために長い信号リード線がある内燃機関の場合には必須である。内燃機関でのセンサの使用は少なくとも300℃での温度安定性を必要とすることに注意されたい。このことは、これらの温度に耐えうる特定の素子を必要とする。 The advantage of two-conductor technology compared to coaxial technology is ground insulation. Each measuring element in two conductor technology is necessarily grounded, while measuring elements using coaxial technology often have electrodes at the main potential. Grounding insulation can only be obtained by delicate assembly using the measuring element's insulating ring and shield. This is essential, for example, in the case of internal combustion engines with long signal leads in order to compensate for the voltage at the ground connection, so as to prevent interference by so-called ground loops. Note that the use of sensors in internal combustion engines requires temperature stability at least at 300 ° C. This requires specific elements that can withstand these temperatures.
その構造により個々の電極が異なる干渉電場を受け、従って測定信号にバイアスがかかるため、既知の横効果の棒で二導体技術を使用することは不可能である。 It is not possible to use the two conductor technique with known lateral effect bars, because the structure causes the individual electrodes to be subject to different interfering electric fields and thus bias the measurement signal.
本発明の目的は、二導体技術で使用可能な、横効果の少なくとも1つの棒を含む圧電測定素子を示唆することである。 The object of the present invention is to suggest a piezoelectric measuring element comprising at least one bar of lateral effect that can be used in two-conductor technology.
この目的は独立請求項の特徴により達成される。 This object is achieved by the features of the independent claims.
本発明の下に横たわる考えは、測定素子の金属化面、電極及び線路から構成される極が、ハウジングに対するその電気容量が同一であるように、横効果による1つ以上の圧電棒で実現されるということである。これは、例えば、極の完全に対称的な設計により達成されるか、または環境に対する両極の容量差に対応するコンデンサを一方の極からハウジングに設けることにより達成される。 The idea lying under the present invention is realized with one or more piezoelectric rods due to the lateral effect, so that the pole composed of the metallized surface of the measuring element, the electrodes and the line has the same electric capacity with respect to the housing. That is. This can be achieved, for example, by a completely symmetrical design of the poles or by providing a capacitor in the housing from one pole that corresponds to the capacitance difference between the poles relative to the environment.
図1は従来技術による内燃機関の接地絶縁された測定素子を断面で示す。これは横効果の圧電材料から構成された棒2を含む。棒2は、測定すべき力を加える表面である2つの対向面3a、3bと、表面電荷を収集する金属化面5a、5bを設けた対向面4a、4bとを含む。金属化面5a、5bの各々は前面3a、3bの各々上の電極6a、6bまで延びる。棒2は、棒2にプレテンションを与えるテンションスリーブでもあるハウジング7の内部空間に位置している。カバー9が棒2を収容するハウジング7を封入する。棒2は任意の適切な領域、特に矩形、楕円、凹面、または凸面区域またはその組合せを有することが可能である。
FIG. 1 shows in cross-section a ground-insulated measuring element of an internal combustion engine according to the prior art. This includes a
横効果の四角い棒の感度は、負荷受容面3a、3b間の距離により定義される棒の長さと、電荷収集面4a、4b間の距離により定義されるその厚さとの比に比例する。従って、感度は板が薄くなればなるほど比例して増大する。測定素子の安定度を増加するため、かつ感度をさらに増加するために何枚かの板を使用してもよい。円盤形状の板を使用して同じ値を達成するためには、非常に多数のディスクを使用することが必要であり、これは非常に高価である。さらに、測定素子の長さは相当大きく、これはさらなる欠点を表す。
The sensitivity of the side effect square bar is proportional to the ratio of the length of the bar defined by the distance between the
この配置では、ハウジング7は第1電極6aの電位上にある、何故ならこの電極は一つの接触面によりハウジング7と直接接触しているからである。カバー9は金属外部リング9aを含み、これはハウジング7との直接接触によりまた前記電極6aの電位上にある。中央では、カバーは、外部リング9aから絶縁された接点サイト10を含み、第2電極6bと電気的接触している。この接触はまた電極6bとカバー9の接点サイト10との間の共有接触面によっても得られる。短絡を防止するため、カバーには外部リング9aと中央接点サイト10との間に絶縁部9bが設けられる。外部リング9aは溶接サイト19でのプレテンション下でハウジング7に溶接される。
In this arrangement, the
測定素子をここでセンサ・ハウジング13の内部空間14内に組み込む場合、テンションスリーブが第1電極6aと同じ電位であるため、センサ・ハウジングを絶縁しなければならない。それ故、絶縁リング20がセンサ・ハウジング13に対して測定素子の両面上に配置される。同軸ケーブル15が絶縁リング20の一方を通してカバー9へ伸び、ここで2つの電極6a、6bと電気的接触を行う。このように組み込まれた測定素子では、前置増幅器または増幅器への線路15は、測定信号への干渉から絶縁するため、同軸ケーブル、望ましくは追加のシールド(図示せず)から構成されなければならない。
If the measuring element is now incorporated in the
図2aは本発明による接地絶縁の測定素子の概略図を断面で示す。図1との類似で、同じ参照番号が使用され、横効果による圧電材料から構成される棒2は、測定すべき力を導入する表面としての役割を果たす2つの対向面3a、3bを有する。この棒2はさらに、表面電荷の収集用の金属化面5a、5bを設けた2つの他の対向面4a、4bを含む。またこの実施例では、両金属化面5a、5bは各々前面に配置された電極6a、6bまで延びる。しかしながら、本実施例の発明によると、両電極6a、6bは同じ前面3b上に位置している。他方の前面3aは両電極6a、6bから電気的に絶縁されている。これは例えば、図2aの右側に表示するように金属化面5a、5bを前面3aまで完全に伸ばさないことにより達成される。または、図2aの左側に示すように金属化後に配置した前面3aの縁の面21により達成してもよい。前面3bは今や2つの電極6aと6bを支持する。2つを互いに電気的に絶縁するため、この前面3b上の金属化面は分離面21により分離される。
FIG. 2a shows in cross section a schematic view of a measuring element with ground insulation according to the invention. Similar to FIG. 1, the same reference numeral is used, and a
または、電極6a、6bはまた表面電荷の収集用に表面4a、4bで直接に電荷を収集可能であり、この場合どの前面も金属化面を設ける必要はない。これは例えば従来技術で記載したようなスプリングにより得ることが可能である。
Alternatively, the
内部空間8を有するハウジング7は本実施例で棒2を取り囲む。カバー9はハウジング7を封入する。棒2はハウジング7とカバー9との間にプレテンション状態で配置される。これはハウジング7とカバー9との間の溶接サイト19により達成されることが望ましい。
A
カバー9は、互いに絶縁され2つの電極6a、6bと電気的に接触する2本の同一な貫通給電用ピン形状の接点サイト10a、10bを有する。
The
接地絶縁を達成するため、ハウジング7は両電極6a、6bから電気的に絶縁されなければならない。これは例えば、カバー9が、接点サイト10aと10b用の2つの導体の給電貫通を設けた、例えばセラミックス製の内部絶縁9bを有する外部金属リング9aを有していることから得られる。セラミックスの代わりに、ガラスまたは絶縁体として適切なその他の材料を選択してもよい。
In order to achieve ground insulation, the
棒2はハウジング7の中央にあるべきである。これは、棒2を挿入する案内溝(図示せず)を有する床プレート7aをハウジング7に設けることにより達成可能である。反対に、ハウジング7が内部空間8に向けた1つ以上の開口部11を有し、プレテンションの印加の前に実行されなければならない中央位置決め用に棒2へのアクセスを与えてもよい。これらの開口部11はハウジング7の床プレート7aに設けられるか、及び/または1つ以上の横面の1つ以上の区域に延びることも可能である。中央位置決めの完了後、これらの開口部はまた気密的に再封入可能である。
The
中央位置決めを簡略化するため、EP1283552A2号に記載のようにソケット形状のベースを有する結晶素子も棒として使用可能である。電極の分離用の面部もこれに従って配置されなければならない。 In order to simplify the central positioning, a crystal element having a socket-shaped base as described in EP1283552A2 can also be used as a bar. The electrode separation surface must also be arranged accordingly.
ハウジング7の封入は気密式である。従って、テンションスリーブが開口部を有さない場合、本明細書で記載した測定素子1は既に完成されたセンサであり、その膜はハウジング7の床プレート7aにより実現される。カバー9上の2つの接点サイト10aと10bは増幅器または前置増幅器への2本の導体ケーブルにより導かれる。
The
この配置は、金属化面5a、b、2つの電極6a、bへのガイドと共に線路への接点サイト10a、bを含む2つの極22a、bに関してその完全な対称配置により発明性がある。上述した従来技術による配置と対比して、2本の線路の電位差が本配置で評価される。それ故、環境からの電気的干渉は常に測定線路の両極に対して同一の影響を有さねばならず、差には影響しない。また、この理由から、前置増幅器または増幅器への測定信号の伝送には同軸ケーブルは使用不能である。何故なら外部干渉信号が両方の線路に同じ影響を与えないからである。それ故、接点サイト10aと10bも同じでなければならない。これらは同一のピンとして実現され、従来技術のようなピンとリングとしては実現されない。
This arrangement is inventive due to its perfectly symmetrical arrangement with respect to the two
容量の可能な非対称性を補償するため、追加のコンデンサCを一方の極と環境、例えばハウジング7との間に配置してもよく、このコンデンサCは所用の対称性を与える適切な値を有する。
In order to compensate for the possible asymmetry of the capacitance, an additional capacitor C may be placed between one pole and the environment, for example the
図2aによる測定素子は、センサの簡単な形態として、例えば工事用具としても既に使用可能である。 The measuring element according to FIG. 2a can already be used as a simple form of sensor, for example as a construction tool.
電極を導くためのいくつかの可能性が存在する。図2bと図2cは2つの異なる実施例の上面図を示す。図2bの実施例は、図2aの表示に対応しており、前面3b上の面21またはその他の分離が電極6a、bを分離し、前面3bまで横の金属化面5a、bが伸びている。表面3b間の縁上の金属化面の隣接する表面4a、bへの良好な接触を保証するため、これらの縁には丸め23を設けることが望ましい。これは図2aには図示されていない。図2b、棒2の上面図では、これらの丸め23の位置が表現されている。この型式の金属化面は主に厚い棒2に適している。
There are several possibilities for guiding the electrodes. Figures 2b and 2c show top views of two different embodiments. The embodiment of FIG. 2b corresponds to the display of FIG. 2a, with the
より薄い棒2では、電極は横方向に非常に小さくなる。この場合、図2cと図2dに示す別の実施例が望ましい。棒2には、電荷を収集する表面4a、bの一方の長手方向縁の各々の丸め23aと、電荷の収集用の表面4に隣接しない前面3bの2つの縁の丸め23bとが設けられる。その後、前面3aを除いた全ての表面に金属化面が設けられる。最終的には、面21a、b、及びcが設けられ、金属化面を2つの電気的に分離された電極6a、bに分離する。すなわち丸め23b間の中央の前面3b上の面21a、与えた全ての面のH形状が得られるような前面3b上横の面21b、丸めが設けられていない電荷を収集する表面4a、bの長手方向縁上の面21cの各々である。図2b及び図2cの各々に記載した金属化面は2つの電気的に分離された電極を生成し、その両方が同じ前面3b上で除去可能である。さらに、金属化面、従って極22は対称である。横効果の圧電棒のこの新規の機能は二導体技術での応用で使いることを可能とする。
In the
図3は、センサ12において、内部空間14を有するセンサ・ハウジング13と、カバー9の区域の内部空間14に取り付けた測定素子1と、測定素子1の2つの接点サイト10a、10bへの電気的接続用の2本の導体ケーブル15と共に、測定素子1に隣接する力伝達面17を有する膜16と、を含むセンサ12を記載する。何箇所かの溶接サイト19がセンサ12を互いに保持する。本発明によると、測定素子1は図2に記載した測定素子に対応する。
FIG. 3 shows in the sensor 12 the
図1による測定素子と異なり測定素子1は既に接地絶縁されているため、センサ・ハウジング13と膜16に絶縁なしで直接取り付け可能である。例えば部品へのねじ込みにより発生するような、測定素子1へのセンサ・ハウジング13の歪の伝達を防止するため、いわゆる対歪スリーブ18が使用可能である。図3の左側の1実施例に図示するように、センサ・ハウジング13への直接接続によるカバー9の領域への測定素子1の取り付けの代わりに、図3の右側に示すように、この対歪スリーブ18がカバー9の領域の測定素子1を膜16の領域のセンサ・ハウジング13に接続する。このようにして、センサ・ハウジング13の変形は測定素子1や棒2には何の力も及ぼさない。
Unlike the measuring element according to FIG. 1, the measuring
カバー9は気密的にハウジング7に取り付けられているため、棒2の周辺の空間は溶接前に真空にできる。この空間はハウジング7の内部空間8のみを含むか、または開口部11がハウジング7に設けられている場合、センサ・ハウジング13と測定素子1との間の対歪スリーブ18、または等価な接続までのセンサ・ハウジング13の内部空間14の一部を含むことが可能である。
Since the
測定素子の安定度を増加し、同時に感度を増加するため、図4に図示するように1つのハウジング7にいくつかの棒2を配置することも可能である。この目的のため、2つの極22に対して配置が完全に対称であることを保証しなければならない。これは、棒2の同数の正負極面が外部に対向しなければならないことを意味する。一般的に言って、正極性の容量の和は、棒2の環境、この場合はハウジング7への負極性の容量の和と同一でなければならない。それ故、偶数の棒2を設けなければならない。次いで同一極性の電極が2本の導体ケーブルの接点サイト10へ互いに合わされ接続される。
In order to increase the stability of the measuring element and at the same time increase the sensitivity, it is also possible to arrange
プレテンションを可能とする中央に配置された装置24を有する、図4に図示するような配置が設けられた場合、異なる型式の中央位置決めとプレテンションが遂行可能である。この場合、中央ボルト24を選択してプレテンション・スリーブ7は省略される。またこの場合、対歪スリーブ18をこれに応じて使用することも可能である。
Different arrangements of central positioning and pretensioning can be performed if an arrangement such as that illustrated in FIG. 4 is provided having a centrally located
棒2は容量対称性を有する電気的に異なる電極による金属化面を含み、同じ前面上の両方の電極を含む。単一の棒2の代わりに、棒2のブロック25を使用することも可能である。
The
以下は、いくつかの棒2を接合してブロック25を形成するオプションを記載する。この目的のため、奇数の棒2を使用することが、必須ではないが望ましい。図5に示すように、これらの棒2は各々反対の極性に配置され、各々同じ極性を有するその金属化面5a、bにより互いに結合される。電荷を収集する金属化面5a、bは、接触面のみならず対応する外部面にも取り付けられる。電荷を前面3bに渡すために、前面3bと電荷収集面4a、bに隣接する面も金属化される。図2cに記載したものに対応する丸め23は有効である。金属化面を2つの電気的に異なる電極に分離するために設けられた面21は図2cのものに対応する。このようにして、図5に示すように、ブロック25の半分を超えて各々が延びる、2つの極22a、bが生成可能である。
The following describes the option of joining
このようなブロック25は単一の棒2より容易に中央位置決め可能である、何故なら金属化面で結合された棒2が大きなブロックに組み合わされるからである。さらに、このようなブロックの製造は、ウェファで製造可能であるため、コスト的に有利である。
Such a
奇数の棒2から構成されるブロック25は個別にまたはグループで使用可能である。全体としてその極に対して対称となるように、いくつかの前記ブロックを配置することにより、偶数の棒2のブロックも使用可能である。配置の例を図4に示す。これらのブロックの各々が2つの正または2つの負の外部面を含む。交番列で配置することで、所用の対称性が再び得られる。
本発明による前記測定素子またはセンサの各々の利点は、単純で、それ故コスト的に有利な組立体で接地絶縁が得られることである。さらに、感熱部品の使用による温度制限は必要ない。 An advantage of each of the measuring elements or sensors according to the invention is that grounding insulation is obtained in a simple and therefore cost-effective assembly. Furthermore, there is no need for temperature limitations due to the use of heat sensitive components.
(参照番号のリスト)
1 測定素子
2,2’ 棒
3,3a、3b 前面、力を導入する表面
4,4a、4b 表面電荷を収集する表面
5,5a、5b 金属化面
6,6a、6b 電極
7 テンションスリーブ、測定素子のハウジング
7a テンションスリーブ/ハウジングの床プレート
8 テンションスリーブ/ハウジングの内部空間
9 カバー
9a 外部リング
9b 絶縁体
10,10a、10b カバーの接点サイト
11 テンションスリーブの開口部
12 センサ
13 センサ・ハウジング
14 ハウジングの内部空間
15 ケーブル、線路、二導体または同軸
16 膜
17 力伝達面
18,18a、18b 2端を有する対歪スリーブ
19 溶接サイト、溶接
20,20a、20b 絶縁リング
21 面、分離面
22,22a、22b 極
23 丸め
24 プレテンション素子、中央ボルト
25 ブロック
C コンデンサ
(List of reference numbers)
DESCRIPTION OF
以下に、本発明を図面と関連して詳細に説明する。
Claims (16)
Sensor according to claim 15, wherein the measuring element (1) is attached to one end (18a) of the anti-strain sleeve (16) in the area of the cover (9) and the other end of the anti-strain sleeve (18). (18b) is a sensor fixed to the sensor housing (13) in the region of the membrane (16).
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